Bi/Zn和B/Zn对真空玻璃激光封接用BiBZn系统低熔点玻璃结构与性能的影响

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0961

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (3): 871-883.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0961

Bi/Zn和B/Zn对真空玻璃激光封接用BiBZn系统低熔点玻璃结构与性能的影响

何哲¹^,²(), 李璟玮², 马瑄², 石丽芬¹, 焦金旭¹, 周俊洁¹, 王巍巍¹, 李常青¹, 王鹏¹, 彭寿¹^,², 李宏²()

^1.中建材玻璃新材料研究院集团有限公司，先进玻璃材料全国重点实验室，蚌埠 233018
^2.武汉理工大学，先进玻璃材料全国重点实验室，武汉 430070

收稿日期:2025-09-30 修订日期:2025-12-17 出版日期:2026-03-20 发布日期:2026-04-10
通信作者: 李宏，博士，研究员。E-mail：lh_648@whut.edu.cn
作者简介:何哲（1997—），男，博士研究生。主要从事真空玻璃封接用低熔点玻璃的研究。E-mail：18372831961@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(52472012);硅基材料安徽省实验室开放项目(2022KF11);中建材玻璃新材料研究院集团有限公司开放项目(K24556)

Effects of Bi/Zn and B/Zn on Structure and Properties of Low-Melting-Point Glass of BiBZn System for Laser Sealing of Vacuum Glazing

HE Zhe¹^,²(), LI Jingwei², MA Xuan², SHI Lifen¹, JIAO Jinxu¹, ZHOU Junjie¹, WANG Weiwei¹, LI Changqing¹, WANG Peng¹, PENG Shou¹^,², LI Hong²()

^1.State Key Laboratory of Advanced Glass Materials，CNBM Research Institute for Advanced Glass;Materials Group Co. ，Ltd. ，Bengbu 233018，China
^2.State Key Laboratory of Advanced Glass Materials，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China

Received:2025-09-30 Revised:2025-12-17 Published:2026-03-20 Online:2026-04-10

摘要/Abstract

摘要：

激光封接技术是一种高精度、高效率的现代焊接技术，具有能量密度高和可局部加热的优点。将激光封接技术应用于真空玻璃封接，可有效解决传统整体加热封接技术给真空玻璃带来的基板退钢化问题。本文基于激光封接技术，以Bi₂O₃-B₂O₃-ZnO（BiBZn）三元系统玻璃为研究对象，研究了Bi/Zn、B/Zn对BiBZn系统低熔点玻璃结构与性能的影响，得到了一种适用于激光封接真空玻璃的无铅低熔点玻璃粉。无铅低熔点玻璃组分为40.0Bi₂O₃-32.5B₂O₃-27.5ZnO，热膨胀系数为100×10^-7K^-1（50~250 ℃），与钠钙硅基板玻璃热膨胀系数较匹配（92×10^-7 K^-1，50~250 ℃）；玻璃软化温度为388 ℃，具有较好的流动性，适用于真空玻璃的激光封接。在激光功率为36 W、脉宽为20 ns的工艺条件下，封接层无晶体析出，封接强度为3.67 MPa，高于一般水平（2 MPa）。

关键词: Bi₂O₃-B₂O₃-ZnO （BiBZn）, 低熔点玻璃, 无铅, 激光封接, 真空玻璃

Abstract:

Laser sealing technology is a high-precision， high-efficiency modern welding technique that offers the advantages of high energy density and the ability to locally heat the material. Applying laser sealing technology to vacuum glazing sealing can effectively reduce the substrate de-tempering of vaccum glazing caused by traditional overall heating sealing methods. This paper focused on the laser sealing technology and the glass of Bi₂O₃-B₂O₃-ZnO （BiBZn） system as the research subject. The paper explored the effects of Bi/Zn and B/Zn on the structure and properties of BiBZn system low-melting-point glass and developed a lead-free low-melting-point glass powder suitable for laser sealing of vacuum glazing. The lead-free low-melting-point glass components is 40.0Bi₂O₃-32.5B₂O₃-27.5ZnO， and the coefficient of thermal expansion is 100×10^-7 K^-1（50~250 ℃）， which is well-matched with the coefficient of thermal expansion of sodium-calcium-silicon substrate glass （92×10^-7 K^-1， 50~250 ℃）. The softening temperature of glass is 388 ℃， and it has good fluidity， making it suitable for laser sealing of vacuum glazing. Under the processing conditions of laser power of 36 W， pulse width of 20 ns， the obtained sealing layer has no crystal precipitation， and the sealing strength is 3.67 MPa， higher than the general level （2 MPa）.

Key words: Bi₂O₃-B₂O₃-ZnO （BiBZn）, low-melting-point glass, lead-free, laser sealing, vacuum glazing

中图分类号:

TQ171

何哲, 李璟玮, 马瑄, 石丽芬, 焦金旭, 周俊洁, 王巍巍, 李常青, 王鹏, 彭寿, 李宏. Bi/Zn和B/Zn对真空玻璃激光封接用BiBZn系统低熔点玻璃结构与性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(3): 871-883.

HE Zhe, LI Jingwei, MA Xuan, SHI Lifen, JIAO Jinxu, ZHOU Junjie, WANG Weiwei, LI Changqing, WANG Peng, PENG Shou, LI Hong. Effects of Bi/Zn and B/Zn on Structure and Properties of Low-Melting-Point Glass of BiBZn System for Laser Sealing of Vacuum Glazing[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(3): 871-883.

图/表 17

图1 激光封接真空玻璃示意图

Fig.1 Schematic diagram of laser sealing vacuum glazing

表1 Bi/Zn组分变化的玻璃成分

Table 1 Glass composition with variations in Bi/Zn components

Sample No.	Mole fraction/%
Sample No.	Bi₂O₃	B₂O₃	ZnO
BiZn-1	60	30	10
BiZn-2	55	30	15
BiZn-3	50	30	20
BiZn-4	45	30	25
BiZn-5	40	30	30
BiZn-6	35	30	35
BiZn-7	30	30	40

图2 不同Bi/Zn玻璃的XRD谱、CTE曲线、DSC曲线、特征温度和CTE的折线图

Fig.2 XRD patterns， CTE curves， DSC curves， and line graph of characteristic temperatures and CTE of different Bi/Zn glasses

图3 不同Bi/Zn玻璃的红外光谱和拉曼光谱

Fig.3 Infrared spectra and Raman spectra of different Bi/Zn glasses

表2 BiBZn系统玻璃红外吸收带及振动类型

Table 2 Infrared absorption bands and vibration types of BiBZn system glass

Wave number/cm^-1	Corresponding vibration
720	Symmetric stretching vibration of Bi—O bond in ［BiO₃］^［19］， bending vibration of O₃B—O—BO₃ in ［BO₃］^［20］
1 150	B—O bond vibration in ［BO₃］^［21-22］
1 300	Asymmetric stretching vibration of O—B—O bond in ［BO₄］ ^［23］

表3 BiBZn系统玻璃拉曼光谱带及振动类型

Table 3 Raman spectra bands and vibration types of BiBZn system glass

Wave number/cm^-1	Corresponding vibration
350	Bi—O—Bi bond vibration in ［BiO₆］^［24］
620	B—O—B bond bending vibration in ［BO₃］^［21-22］， Bi—O bond stretching vibration in ［BiO₆］^［25］
1 200~1 320	Bi—O bond vibration in ［BiO₃］^［26］

图4 BiZn-1~BiZn-7玻璃流动柱形貌随温度的变化

Fig.4 Variation of flow column morphology with temperature of BiZn-1 to BiZn-7 glass

图5 BiZn-1~BiZn-7玻璃流动柱直径随温度的变化曲线和450 ℃下BiZn-1~BiZn-7玻璃流动柱的XRD谱

Fig.5 Variation curves of diameter of BiZn-1 to BiZn-7 glass flow column with temperature and XRD patterns of BiZn-1 to BiZn-7 glass flow column at 450 ℃

表4 B/Zn组分变化的玻璃成分

Table 4 Glass composition with variations in Bi/Zn components

Sample No.	Mole fraction/%
Sample No.	Bi₂O₃	B₂O₃	ZnO
BZn-1	40.0	30.0	30.0
BZn-2	40.0	32.5	27.5
BZn-3	40.0	35.0	25.0
BZn-4	40.0	37.5	22.5
BZn-5	40.0	40.0	20.0

图6 不同B/Zn玻璃的XRD谱、CTE曲线、DSC曲线、特征温度和CTE的折线图

Fig.6 XRD patterns， CTE curves， DSC curves， line graph of characteristic temperatures and CTE of different B/Zn glasses

图7 不同B/Zn玻璃的红外光谱和拉曼光谱

Fig.7 Infrared spectra and Raman spectra of different B/Zn glasses

图8 BZn-1~BZn-5玻璃流动柱形貌随温度的变化

Fig.8 Variation of flow column morphology with temperature of BZn-1 to BZn-5 glass

图9 BZn-1~BZn-5玻璃流动柱直径随温度的变化曲线和450 ℃下BZn-1~BZn-5玻璃流动柱的XRD谱

Fig.9 Variation curves of diameter of BZn-1 to BZn-5 glass flow column with temperature and XRD patterns of BZn-1 to BZn-5 glass flow column at 450 ℃

表5 激光器参数

Table 5 Laser parameters

Laser parameter	Value
Laser power/W	200
Maximum pulse energy/MJ	1.5
Adjustable frequency range/kHz	1~4 000
Central wavelength/nm	1 064
Power regulation range/%	10~100
Beam diameter/mm	7
Focal diameter/mm	0.05

表6 不同激光脉宽下封接强度

Table 6 Sealing strength at different laster pulse widths

Sample No.	Pulse width/ns	Power/W	Sealing strength/MPa
A3-1	20	28	0.92
A3-2	20	32	1.58
A3-3	20	36	3.67
A3-4	20	40	2.31
A3-5	60	36	2.03
A3-6	60	40	1.88
A3-7	60	44	2.36
A3-8	60	48	1.31
A3-9	100	40	1.32
A3-10	100	44	1.20
A3-11	100	48	1.54
A3-12	100	52	2.52
A3-13	100	56	1.30

图10 40 W功率时不同激光脉宽下封接强度

Fig.10 Sealing strength at different laster pulse

图11 40 W功率时不同激光脉宽下封接层XRD谱

Fig.11 XRD patterns of sealing layers at different laster widths under 40 W power pulse widths under 40 W power

参考文献 27

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Bi/Zn和B/Zn对真空玻璃激光封接用BiBZn系统低熔点玻璃结构与性能的影响

Effects of Bi/Zn and B/Zn on Structure and Properties of Low-Melting-Point Glass of BiBZn System for Laser Sealing of Vacuum Glazing

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